降低滤波超表面在射电望远镜中噪声温度研究.pdf
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1、 .天 文 研 究 与 技 术 第 卷 第 期 年 月:./.降低滤波超表面在射电望远镜中噪声温度研究王鲁一 施宏宇 董 亮 刘海文(.西安交通大学 陕西 西安 .中国科学院云南天文台 云南 昆明)摘要:射电天文望远镜是天文观测、深空探测等研究的关键设备 提高其灵敏度、降低系统噪声温度具有重要意义 然而 由于分配给射电天文的频段受限 且常与其他业务共用 射电天文望远镜容易受到强烈的射频干扰 这些干扰进入射频接收机后 在低温放大器内产生交互调干扰、放大器饱和等问题 抬高了噪声本底 降低了射电望远镜对微弱信号的探测灵敏度 利用滤波超表面技术可以对射电天文射频干扰进行有效的抑制 但需要控制引入的额外
2、噪声 提出了一种降低滤波超表面在射电天文望远镜中引入噪声温度的方法 分别研究了滤波超表面的耗散性损耗和反射损耗与噪声温度的关系 通过对不匹配反射波朝向的约束实现了噪声温度的最小化 应用本文提出的方法 可以使系统噪声温度降低 若将滤波超表面设置在致冷室内 可以实现仅 的额外噪声温度关键词:滤波超表面 噪声温度 插入损耗 耗散性损耗 超导滤波器中图分类号:文献标识码:文章编号:()天文观测、深空探测等研究对射电望远镜系统的灵敏度提出了极高的要求 我们通常用/值表征接收系统的灵敏度 其中 为天线增益 为接收系统的等效噪声温度 增大天线的口径可以提升天线增益 但不断增大天线口径带来的增益收益已趋于有限
3、 与增大天线口径相比 降低系统的等效噪声温度发挥着更为关键的作用由于各种无线业务频率的干扰 射电天文望远镜容易受到强烈的射频干扰 尽管这些带外干扰不会在带内产生额外的噪声 但在射频接收机的低温放大器内会造成交互调干扰、放大器饱和等问题进而在天文观测频段产生干扰信号 抬高噪声本底 降低了射电望远镜对微弱信号的探测灵敏度因此 在低温放大器前级引入带通滤波设备 大幅滤除带外的射频干扰是提高射电望远镜系统性能的必然需求 然而 在放大器之前级联设备会不可避免地造成系统噪声的增加 对提升系统性能带来不利影响 应用于低噪声温度射电望远镜的滤波器应具有极低的插入损耗 保证滤波器的引入不会显著提高系统噪声温度
4、同时 使用的滤波器应具有较高的阻带抑制水平 有效抑制远高于有效信号的射频干扰超表面技术经过较长时间的发展 在电磁波特性调控方面取得了丰富的研究成果 可以对电磁波的频率、幅度、极化等参数进行灵活的控制 其中 滤波超表面可以对空间入射电磁波的频率进行筛选 实现带通、低通、高通等滤波效果 利用滤波超表面技术可以对射电天文射频干扰进行有效抑制 但需要控制引入的额外噪声 本文首先分析了滤波超表面的耗散性损耗和反射损耗与噪声温度的关系 随后提出了一种方法 通过对不匹配反射波朝向的约束实现噪声温度最小化 最后通过基金项目:国家重点研发计划()国家自然科学天文联合基金()昆明市对外(国际)科技合作基地项目()
5、云南省太阳物理和空间目标监测重点实验室项目()和云南省国际超新星研究重点实验室()资助.收稿日期:修订日期:作者简介:王鲁一 男 博士 主要研究微波超表面与天线.:.通信作者:施宏宇 男 副教授 主要研究微波超表面与天线.:.董 亮 男 高级工程师 主要研究射电天文技术.:.期王鲁一等:降低滤波超表面在射电望远镜中噪声温度研究 计算分析 得到了实际滤波超表面的引入噪声情况 通过对比发现 该方法优于目前常用的超导滤波器方案 无源有损器件的噪声温度分析无源有损器件的损耗由耗散性损耗()与反射损耗()共同组成 具体来说 耗散性损耗指在器件内以热形式损耗的部分能量 反射损耗指在器件端口被反射、未进入器
6、件的部分能量 在一般的设计中通过优化 无源有损器件的反射损耗水平极低 分析时可以忽略 基于此 假设该无源有损器件的物理温度为 前级的系统等效噪声温度为 无源有损器件引入后系统的噪声温度可以表示为 ()()式等号右边第 项表示无源有损器件对前级噪声温度的衰减 衰减系数取 第 项表示器件内的耗散性热损耗产生的额外噪声温度 由 该式可得控制无源有损器件引入噪声的两种方法:()降低无源有损器件的耗散性损耗()降低无源有损器件的物理温度 即产生耗散性损耗发生处的物理温度若考虑反射损耗 无源有损器件引入后系统的噪声温度可以表示为().()与()式相比()式等号右边第 项进一步考虑了前级等效噪声系数由于不匹
7、配反射产生的差值第 项表示不匹配反射最终耗散在前级系统中产生的噪声温度 为不匹配反射最终耗散处的噪声温度 事实上 由于器件的反射损耗通常极小 在射频链路中可以认为 近似等于 ()式与()式的误差通常可以忽略然而 在引入滤波超表面等器件的背景下 反射损耗造成噪声温度的增加不可忽视 如文在馈源天线口径面前引入二向色性板作为频率选择器件 因不匹配而反射的小部分电磁能量最终被室内的吸波材料吸收 由于吸波材料的高温()即 导致系统噪声温度显著上升 又如文在馈源天线前同样引入了二向色性板 但其透波频段少量的不匹配反射能量最终同样被高温负载吸收 造成系统噪声温度显著上升 假设反射系数损耗为 由不匹配反射带来
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